CN103308465B - 一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置用信号处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置用信号处理系统及方法，属于设计、电子技术应用和信号处理领域。电路设计方案总体包括两个部分：主动光源的调制与控制电路、信号检测处理电路及信号处理方法。主动光源的调制与控制电路使主动光源工作在状态间隙式高频脉动点亮模式下，使信号能有效区别于环境光，便于检测电路检出主动光源响应信号，同时能有效避免LED光源的红移现象。检测电路能有效滤除非主动光源的响应信号，信号处理方法能有效提取主动光源响应信号的幅值，进而确定作物冠层的光谱反射率。

Description

一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置用信号处理系统及方法

技术领域

本发明涉及电路设计、电子技术应用和信号处理领域，尤其是对主动光源发光模式的控制、光电敏感器件输出信号的处理系统和方法，具体地说是一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置用信号处理系统及方法。

背景技术

目前，利用作物冠层漫反射光谱获取作物生长信息是农业信息领域的重要研究方向，国内外学者对漫反射光谱和相关作物生长信息之间的机理关系已经有了十分深入和广泛的研究，大量研究表明：利用冠层光谱分析技术可以有效实现作物生长特征和植株营养状况的动态监测，其中差值植被指数、归一化植被指数和比值植被指数等光谱指数被广泛应用于植物叶面积指数、干物质生产、叶片氮含量和氮积累量、叶片碳氮比和产量估测，相比于传统的物理和生化方法研究作物的营养状况，冠层光谱分析技术具有快速、便携、无损、不受时空限制等突出优点，是农业信息化领域迫切需要的技术手段。但将冠层光谱反射信息和作物生长信息之间的机理关系进行工程化实现并应用于田间实时测量和实时指导农业生产是目前的薄弱环节，基本处于研究阶段和试用化阶段，尚未在实际农业生产中得到有效的应用。

采用冠层反射光谱传感技术（Ground-basedCanopyReflectanceSensing）来获取作物的生长信息指标是当前该领域研究的热点和重要手段，该类技术的实现形式主要有两种：被动光源式和主动光源式。被动光源式测量仪器利用太阳光作为检测光源，其最大的局限性是其使用受到太阳光照强度、太阳入射角等因素的影响，其测量值也会因自然光环境的变化而变化，一般需要在晴好天气且具有较大太阳角时使用，阴雨天则无法使用。主动光源式仪器自带能发射特定波长的光源，能消除外部光环境的影响，可以在任何天气条件和自然光照条件下使用，主动光源式仪器是目前的主流形式。主动光源式测量仪器的实现主要包括两大核心技术：光路系统的设计和电路设计。

国外在2000年前后出现了主动光源式的测量仪器，目前市场上已有商品化的产品销售，典型的产品有：GreenSeeker(NTechIndustriesInc.)，CropCircle(HollandScientific)和CropSpec(TopconPrecisionAgriculture)，这些仪器在测量的方法上基本类似，都提供包含一个可见光波段和一个近红外波段的主动光源，光源采用脉动发光的方式进行测量，所不同的是主动光源所采用的波段、仪器的检测范围（或测量高度）和光源的布置方式（垂直布置还是斜向布置）有所不同；从系统性能而言，由于测量波段、结构方式的不同，该三种仪器有着各自的应用特点，有各自比较合适的应用环境。国外的仪器一般价格昂贵，只能作为一些科研院校或机构开展科研项目的工具，无法在我国实际农业生产中推广使用。

发明内容

本发明的目的是针对如何检测出主动光源引起的微弱反射信号强度的问题，提出一种在环境光影响下检测出主动光源反射信号强度的测量电路实现方案和相应的信号处理方法，利用所设计的测量电路系统及处理方法能将窄带LED主动光源进行间隙工作式高频脉动调制，将调制后的光源照射到作物冠层、使作物冠层产生频率明显高于环境光变化的微弱光谱反射信号，通过信号转换、放大和滤波检测出由主动光源引起的作物冠层反射光谱响应信号，从而为计算作物冠层光谱反射率提供测量参数。结合作物生长信息模型，测量值可以转化为各种作物生长指标，实现对作物生长信息的诊断，可在作物营养状况诊断和精确农业变量施肥领域应用，是当前现代化农业迫切需要的农业信息技术。

本发明的技术方案是：

一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置用信号处理系统，所述主动光源式作物冠层反射光谱测量装置包括LED发光阵列和光电敏感器件，所述的信号处理系统包括主动光源控制电路、主动光源调制电路、反射光谱响应处理电路和主控制器，所述的主动光源控制电路和主动光源调制电路串接，用于控制LED发光阵列的点亮模式；光电敏感器件用于接收LED发光阵列的光信号，所述光电敏感器件的信号输出端与反射光谱响应处理电路的信号输入端相连，反射光谱响应处理电路用于将光电敏感器件的电流信号转换为电压信号，反射光谱响应处理电路的信号输出端与主控制器的控制信号输入端相连，所述主控制器的控制信号输出端与主动光源控制电路的控制信号输入端相连。

本发明的反射光谱响应处理电路包括依次串接的一级放大电路、高通滤波电路、二级放大电路和A/D采样电路。

本发明的主动光源控制电路包括依次串接的恒流控制电路和定时开关电路，所述的恒流控制电路的控制信号输入端与主控制器的控制信号输出端相连，该恒流控制电路用于产生LED发光阵列所需要的恒定电流，电流大小由主控制器调节，所述的定时开关电路的信号输出端作为主动光源控制电路的输出与主动光源调制电路的信号输入端相连，该定时开关电路周期性启闭LED发光阵列的恒流供电，使LED发光阵列间隙性工作。

本发明的主动光源调制电路为高频调制电路。

一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置用信号处理方法，应用主动光源式作物冠层反射光谱测量装置用信号处理系统，它包括以下步骤：

（A）、用户向主控制器输入控制信号，使LED发光阵列处于间隙式高频脉动点亮模式，设定的参数包括LED点亮时的调制频率和LED光源的启闭时间；

（B）、主控制器输出控制信号至主动光源控制电路，主动光源控制电路根据LED点亮时的调制频率产生LED发光阵列所需要的恒定电流和启闭控制信号，采用主动光源调制电路对LED发光阵列的发光进行高频调制，之后，输出控制信号驱动LED发光阵列，使之处于间隙式高频脉动点亮模式；

（C）、光电敏感器件接收LED发光阵列的光信号，并输出至反射光谱响应处理电路，光谱响应处理电路将光电敏感器件输出的电流信号转换为电压信号；

（D）、反射光谱响应处理电路将电压信号输出至主控制器，在主控制器中，首先，对反射光谱响应处理电路输出的电压信号幅值M_λ进行提取，M_λ表示波长为λ的主动光即LED光被反射后引起的响应幅值，该电压信号幅值M_λ由公式（a）表示为：

$M_{\mathrm{\λ}}=\stackrel{\‾}{Y_{H\_\mathrm{val}}}-\stackrel{\‾}{Y_{L\_\mathrm{val}}}---\left(a\right)$

其中：

$Y_{H\_\mathrm{val}}=\left\{y\right|y\≤\mathrm{\α}(\stackrel{\‾}{Y_H}-\stackrel{\‾}{Y}),y\≥(1+\mathrm{\β})(\stackrel{\‾}{Y_H}-\stackrel{\‾}{Y}),y\∈Y_H\}---\left(b\right)$

$Y_{L\_\mathrm{val}}=\left\{y\right|y\≤\mathrm{\α}(\stackrel{\‾}{Y}-\stackrel{\‾}{Y_L}),y\≥(1+\mathrm{\β})(\stackrel{\‾}{Y}-\stackrel{\‾}{Y_L}),y\∈Y_L\}---\left(c\right)$

Y：表示反射光谱响应处理电路输出信号，即A/D采样后的电压信号点集，是Y的平均值；

Y_H：表示电压信号点集中量值大于的数据点集，是Y_H的平均值；

Y_L：表示电压信号点集中量值小于的数据点集，是Y_L的平均值；

Y_{H_val}和Y_{L_val}：分别表示利用公式（b）和公式（c）运算的结果，和分别表示Y_{H_val}和Y_{L_val}的平均值；

α和β为计算因子，满足α<1,β<1,α+β≤1。

（E）、将被LED发光阵列照射物品设置为作物冠层，按照步骤（A）-（D）对作物冠层进行照射和反射光采集，获取波长为λ的主动光被作物冠层反射后引起的响应幅值M_cλ；

将被LED发光阵列照射物品设置为标准白板，按照步骤（A）-（D）对标准白板进行照射和反射光采集，获取波长为λ的主动光被标准白板反射后引起的响应幅值M_wλ；

计算波长为λ的主动光即LED光对作物冠层的光谱反射率R_λ， $R_{\mathrm{\&lambda;}}=\frac{M_{\mathrm{c\&lambda;}}}{M_{\mathrm{w\&lambda;}}}.$

本发明的有益效果：

本发明提出了一种将LED发光阵列作为主动光源的控制电路设计方案，使LED发光阵列在高频脉动点亮和间隙式工作模式下工作，使主动光源的反射光谱响应明显有别于环境光反射光谱响应，保证了信号的可检测性；同时间隙工作模式能有效避免LED光源的红移现象，保证了响应信号的稳定性。

本发明提出了一种有效提取主动光源响应信号幅值的方法，利用该方法能有效检测出响应信号的幅值，该幅值能原理性滤除电路零漂引起的影响，根据测量所得的响应信号幅值，可以计算出作物冠层的光谱反射率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置用信号处理系统及方法，其具体实施方案为：

（1）主动光源高频脉动点亮和间隙式工作模式下的电路实施方案

非主动光响应主要来自太阳光的照射，太阳光辐射强度变化比较缓慢，其响应属于低频缓变信号，实验证明将主动光源脉动频率调制到千赫兹级以上，便可有效区分非主动光源产生的影响。本发明中采用场效应管作为LED光源的高频调制器件，使LED的发光强度呈现方波特性变化。

为了保证LED发光功率的稳定，本发明采用TLC5917芯片作为LED的驱动芯片实现LED光源的恒流供电，保证LED供电电流不随外电源的波动而波动。

采用主动光源间隙工作的模式，间隙工作周期取决于数据的更新率，本发明所采用的LED光源工作时间长度和熄灭时间长度之比小于1：5时可以获得良好的工作效果，可以有效抑制LED自发热产生的光谱红移现象，反射光谱响应值相对波动率小于3%。在该工作模式下，本装置设定的有效数据更新率为10Hz。

（2）光电敏感器件输出信号处理电路实施方案

通过“一级放大处理→高通滤波处理→二级放大处理→A/D采样”四步硬件处理流程，可以获得有效获得主动光源的高频脉动响应。本发明的一级放大电路采用跨阻抗式I/V转换电路，滤波电路采用RC由源高通滤波器。为了完整保留响应幅值信息，高通滤波和二级放大电路的运放单元采用正负电压供电的方式。为了获得良好的响应特性，所设计的一级放大电路和高通滤波电路整体呈现二阶系统特性，在参数配置时使系统的阻尼比接近为1。

（3）有效提取主动光源响应信号值的方法设计

为了获取有效的测量数据，响应信号幅值提取方法需要采集一定时间长度的信号，时间长度具体取决于硬件电路的响应特性。具体的方法描述如下：

响应信号幅值M_Y可由公式（1）表示：

$M_Y=\stackrel{\&OverBar;}{Y_{H\_\mathrm{val}}}-\stackrel{\&OverBar;}{Y_{L\_\mathrm{val}}}---\left(1\right)$

其中：

$Y_{H\_\mathrm{val}}=\left\{y\right|y\&le;\mathrm{\&alpha;}(\stackrel{\&OverBar;}{Y_H}-\stackrel{\&OverBar;}{Y}),y\&GreaterEqual;(1+\mathrm{\&beta;})(\stackrel{\&OverBar;}{Y_H}-\stackrel{\&OverBar;}{Y}),y\&Element;Y_H\}---\left(2\right)$

$Y_{L\_\mathrm{val}}=\left\{y\right|y\&le;\mathrm{\&alpha;}(\stackrel{\&OverBar;}{Y}-\stackrel{\&OverBar;}{Y_L}),y\&GreaterEqual;(1+\mathrm{\&beta;})(\stackrel{\&OverBar;}{Y}-\stackrel{\&OverBar;}{Y_L}),y\&Element;Y_L\}---\left(3\right)$

上述表达式中有关变量的含义：

Y：表示反射光谱响应处理电路（3）输出信号A/D采样后的点集，是Y的平均值。

Y_H：表示量值大于的数据点集，是Y_H的平均值。

Y_L：表示量值小于的数据点集，是Y_L的平均值。

Y_{H_val}和Y_{L_val}：分别表示利用公式（b）和公式（c）运算的结果，和分别表示Y_{H_val}和Y_{L_val}的平均值。

α和β为计算因子，满足α<1,β<1,α+β≤1，可根据测量装置特性通过实验方式测定，具体判断依据为，方法产生的点集Y_{H_val}和Y_{L_val}与实际响应信号的波峰和波谷位置的重合度满足预设的要求。

（4）作物冠层反射率的计算

应用（3）所提供的幅值提取方法，波长为λ的主动光对作物冠层的光谱反射率R_λ可由下述公式表达，

其中：M_cλ：波长为λ的主动光被作物冠层反射后引起的响应幅值；

M_wλ：波长为λ的主动光被标准白板反射后引起的响应幅值；

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种主动光源式作物冠层反射光谱测量装置用信号处理方法，应用主动光源式作物冠层反射光谱测量装置用信号处理系统，所述主动光源式作物冠层反射光谱测量装置包括LED发光阵列(5)和光电敏感器件(6)，其特征是所述的信号处理系统包括主动光源控制电路(1)、主动光源调制电路(2)、反射光谱响应处理电路(3)和主控制器(4)，所述的主动光源控制电路(1)和主动光源调制电路(2)串接，用于控制LED发光阵列(5)的点亮模式；光电敏感器件(6)用于接收LED发光阵列(5)照射作物冠层后经作物冠层反射的光线，所述光电敏感器件(6)的信号输出端与反射光谱响应处理电路(3)的信号输入端相连，反射光谱响应处理电路(3)用于将光电敏感器件(6)的电流信号转换为电压信号，反射光谱响应处理电路(3)的信号输出端与主控制器(4)的控制信号输入端相连，所述主控制器(4)的控制信号输出端与主动光源控制电路(1)的控制信号输入端相连；

所述的主动光源控制电路(1)包括依次串接的恒流控制电路和定时开关电路，所述的恒流控制电路的控制信号输入端与主控制器的控制信号输出端相连，该恒流控制电路用于产生LED发光阵列所需要的恒定电流，电流大小由主控制器调节，所述的定时开关电路的信号输出端作为主动光源控制电路(1)的输出与主动光源调制电路(2)的信号输入端相连，该定时开关电路周期性启闭LED发光阵列的恒流供电，使LED发光阵列间隙性工作；

所述的主动光源调制电路(2)为高频调制电路；

该信号处理方法包括以下步骤：

(A)、用户向主控制器(4)输入控制信号，使LED发光阵列(5)处于间隙式高频脉动点亮模式，设定的参数包括LED点亮时的调制频率和LED光源的启闭时间；

(B)、主控制器(4)输出控制信号至主动光源控制电路(1)，主动光源控制电路(1)根据LED点亮时的调制频率产生LED发光阵列所需要的恒定电流和启闭控制信号，采用主动光源调制电路(2)对LED发光阵列(5)的发光进行高频调制，之后，输出控制信号驱动LED发光阵列(5)，使之处于间隙式高频脉动点亮模式；

(C)、光电敏感器件(6)接收LED发光阵列(5)的光信号，并输出至反射光谱响应处理电路(3)，反射光谱响应处理电路(3)将光电敏感器件(6)输出的电流信号转换为电压信号；

(D)、反射光谱响应处理电路(3)将电压信号输出至主控制器(4)，在主控制器(4)中，首先，对反射光谱响应处理电路(3)输出的电压信号幅值M_λ进行提取，M_λ表示波长为λ的主动光即LED光被反射后引起的响应幅值，该电压信号幅值M_λ由公式(a)表示为：

$M_{\mathrm{\&lambda;}}=\stackrel{\&OverBar;}{Y_{H\_val}}-\stackrel{\&OverBar;}{Y_{L\_val}}---\left(a\right)$

其中：

$y_{H\_val}=\left\{y\right|y\&le;\mathrm{\&alpha;}(\stackrel{\&OverBar;}{Y_H}-\stackrel{\&OverBar;}{Y}),y\&GreaterEqual;(1+\mathrm{\&beta;})(\stackrel{\&OverBar;}{Y_H}-\stackrel{\&OverBar;}{Y}),y\&Element;Y_H\}---\left(b\right)$

$Y_{L\_val}=\left\{y\right|y\&le;\mathrm{\&alpha;}(\stackrel{\&OverBar;}{Y}-\stackrel{\&OverBar;}{Y_L}),y\&GreaterEqual;(1+\mathrm{\&beta;})(\stackrel{\&OverBar;}{Y}-\stackrel{\&OverBar;}{Y_L}),y\&Element;Y_L\}---\left(c\right)$

Y：表示反射光谱响应处理电路(3)输出信号，即A/D采样后的电压信号点集，是Y的平均值；

Y_H：表示电压信号点集中量值大于的数据点集，是Y_H的平均值；

Y_L：表示电压信号点集中量值小于的数据点集，是Y_L的平均值；

Y_{H_val}和Y_{L_val}：分别表示利用公式(b)和公式(c)运算的结果，和分别表示Y_{H_val}和Y_{L_val}的平均值；

α和β为计算因子，满足α＜1，β＜1，α+β≤1；

(E)、将被LED发光阵列(5)照射的对象设置为作物冠层，按照步骤(A)-(D)对作物冠层进行照射和反射光采集，获取波长为λ的主动光被作物冠层反射后引起的响应幅值M_cλ；

将被LED发光阵列(5)照射的对象设置为标准白板，按照步骤(A)-(D)对标准白板进行照射和反射光采集，获取波长为λ的主动光被标准白板反射后引起的响应幅值M_wλ；

计算波长为λ的主动光即LED光对作物冠层的光谱反射率R_λ， $R_{\mathrm{\&lambda;}}=\frac{M_{c\mathrm{\&lambda;}}}{M_{w\mathrm{\&lambda;}}}.$